[发明专利]一种适用于硬地层的PDC钻头

说明书

本发明提供了一种适用于硬地层的PDC钻头，其包括钻头本体、第一刀翼和第一切削齿，第一切削齿为聚晶金刚复合片，第一刀翼与钻头本体固定相连或一体成型，第一切削齿设于第一刀翼上，第一切削齿上设有凹槽，凹槽一端贯通至第一切削齿的前工作面；在PDC钻头的井底覆盖布齿图中，各个第一切削齿上的凹槽互不重叠。本发明提供的PDC钻头由于设置了凹槽，使得第一切削齿刃口具有较高的钻进比压，吃入能力能够得到保证，同时由于在PDC钻头的井底覆盖布齿图中，各个第一切削齿上的凹槽互不重叠，能够形成尽可能大的岩脊，进一步有利于钻速的提高。

技术领域

本发明涉及石油天然气钻探工程、矿山工程、地质钻探、隧道工程等技术领域，具体而言，涉及一种适用于硬地层的PDC钻头。

背景技术

钻头是钻井过程中直接与岩石接触并通过切削、冲击等作用破碎岩石的工具。PDC(Polycrystalline Diamond Compact聚晶金刚石复合片)钻头作为现有钻头技术中的一个重要种类，在石油钻井、地质乃至建筑工程中的应用越来越广泛。PDC钻头通过PDC齿切削岩石进行破岩，在软至中硬地层中，能够获得理想的钻速，在油气钻井中到了广泛的应用。

随着浅层油气资源的开发殆尽，油气勘探开发的重点逐渐转向深层、深海。通常情况下，深部地层的岩石材料较硬、研磨性强，可钻性差。PDC钻头，在这些地层中钻进，往往不能获得较高的机械钻速，其中，最重要的一个原因就是受限于切削齿的吃入能力。特别是，随着地层深度的增加，硬-塑性地层越来越多，切削齿不能有效吃入地层，钻进效率低，且易发生振动，进而造成切削齿的快速失效。

特别的，制约PDC钻头在硬地层高效钻进的原因是钻头发生磨损后，切削齿与岩石的接触面积增加，切削齿的钻进比压急剧下降，钻进效率很低，甚至会因此造成起钻，增加钻井成本，延长钻井周期。

发明内容

本发明提供了一种适用于硬地层的PDC钻头，以解决现有技术中存在的：软至中硬地层钻速快，而在硬地层中，因PDC钻头吃入岩石的能力减弱，而造成机械钻速低的问题。

本发明是这样实现的：

一种适用于硬地层的PDC钻头，包括钻头本体、第一刀翼和第一切削齿，第一切削齿为聚晶金刚复合片，第一刀翼与钻头本体固定相连或一体成型，第一切削齿设于第一刀翼上，第一切削齿上设有凹槽，凹槽一端贯通至第一切削齿的前工作面；在PDC钻头的井底覆盖布齿图中，各个第一切削齿上的凹槽互不重叠。

通过在PDC齿上设置凹槽，使得第一切削齿刃口具有较高的钻进比压，吃入能力能够得到保证，同时能够形成岩脊。岩脊形成后，岩脊本身受到了较大的应力，且两侧缺少支撑岩体，更容易被破坏，进一步有利于钻速的提高。另外，在岩脊形成后，增加了切削齿与井底岩石的侧向接触面，减弱横向振动。而在PDC钻头的井底覆盖布齿图上，各个第一切削齿的凹槽互不重叠，使得各个第一切削齿的凹槽形成的轨迹互不干涉，有利于形成较大的岩脊。井底覆盖布齿图，是指过钻头中心线的任意轴面内，切削齿的切削轮廓绕钻头中心线旋转，并与该轴面形成交线，该交线即为切削轮廓线，将所有切削齿的切削轮廓线汇集在一起，就形成了井底覆盖布齿图。井底覆盖布齿图直接反映了切削齿的定位半径、定位高度等重要参数。

作为本发明的优选方案，凹槽中设有填充体，填充体的耐磨性弱于金刚石层的耐磨性，填充体与凹槽的侧壁固定相连。通过设置填充体，使第一切削齿的整体形状呈现为圆柱结构或椭圆柱结构。

作为本发明的优选方案，填充体为由碳化钨和/或硬质合金制作而成的结构体。作为一种优选，填充体与凹槽的侧壁通过高温高压粘结相连。

通过上述结构，在软地层中钻进时，填充体用于与金刚石层一起参与切削岩石，从而能够获得较高的钻速，使得该PDC钻头也能够适用于软地层中的钻进。在硬地层中钻进时，由于填充体的耐磨性相对较弱，因此，填充体的磨损速度快于金刚石层，使得填充体逐渐被磨损，而重新在第一切削齿上形成凹槽，使得该PDC钻头在硬地层中钻进时也能够获得较高的钻速。